一种巷道智能掘支机及其快速成巷的方法与流程

本发明涉及巷道掘进领域，特别是涉及一种巷道智能掘支机及其快速成巷的方法。

背景技术：

我国绝大部分煤矿巷道围岩对支护要求是掘进一排必须完成一排锚杆锚索的支护，由于掘进与支护都是在掘进工作面完成，需要等待支护完成才能开始再次开始掘进，而锚杆支护工艺复杂、完成支护耗时长，导致支护的速度跟不上掘进的速度，影响了成巷的整体速度，造成了煤矿回采和掘进接替紧张。

为解决煤矿巷道快速成巷的问题，国内外研发了两类快速掘进装备，一种是横轴滚筒式的掘锚机组，利用机载的液压锚杆钻机快速完成支护，但这种装备通常空顶空帮距在3.5m左右，难以适应我国大多数煤矿巷道围岩条件，另一种是在悬臂式掘进机上安装液压锚杆钻机完成锚杆支护，避免了人工搬运钻机支护，但这种装备施加支护速度慢、并且仍然需要等待锚杆支护作业完成才能继续掘进，耗时仍然较长。

技术实现要素：

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种巷道智能掘支机及其快速成巷的方法，能够保证掘进与永久支护平行作业，解决了掘进工作面完成锚杆支护用时长、用人多的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种巷道智能掘支机，包括：

截割单元、智能控制系统、支架运输单元和锚杆作业单元；

所述支架运输单元包括：安装机械手、支架运输机和拆卸机械手；

所述支架运输机上设有若干个液压支架；所述截割单元和所述安装机械手均设置在所述支架运输机的前端一侧，所述锚杆作业单元和所述拆卸机械手均设置在所述支架运输机的后端一侧；所述智能控制系统监测所述截割单元、所述支架运输单元和所述锚杆作业单元的工作状态，分别控制所述截割单元、所述支架运输单元和所述锚杆作业单元。

进一步地，所述液压支架包括：支架立柱、顶梁、顶护板、侧护板、水平油缸、支顶油缸和侧护油缸；所述支架立柱通过所述水平油缸铰接在所述顶梁的两端，所述顶护板通过所述支顶油缸铰接在所述支架立柱的顶部，所述侧护板通过所述侧护油缸铰接在所述侧护板的外侧。

进一步地，所述液压支架还包括：金属网和柔性支护材料；所述侧护板和所述顶护板的外侧依次层叠设置有所述柔性支护材料和所述金属网。

进一步地，所述巷道智能掘支机还包括：煤岩块运输单元；所述煤岩块运输单元包括：铲板和刮板运输机；所述铲板设置在所述支架运输机的前端一侧，置于所述截割单元的底部；所述刮板运输机设置在所述支架运输机的底部，与所述铲板连通；所述铲板后设有用于设置所述液压支架的安装槽，所述智能控制系统控制所述安装机械手将所述液压支架安放到所述安装槽内。

进一步地，所述巷道智能掘支机还包括：通风单元和除尘单元；

所述通风单元包括：第一固定风筒、第一伸缩风筒和第二固定风筒；所述第一固定风筒的出风口设置在所述支架运输机的前端一侧，所述第一固定风筒通过所述第一伸缩风筒与所述第二固定风筒连接；

所述除尘单元包括：除尘风机、第三固定风筒、第二伸缩风筒和第四固定风筒；所述除尘风机设置在所述支架运输机的前端一侧，所述除尘风机依次通过所述第三固定风筒、所述第二伸缩风筒与所述第四固定风筒连接。

进一步地，所述截割单元包括：滚筒、截割臂、油缸、四连杆结构和滑动机架；所述截割臂包括：相互铰接的截割大臂和截割小臂；所述滚筒设置在所述截割大臂上远离所述截割小臂的一端，所述截割大臂通过所述油缸与所述滑动机架连接，所述截割小臂通过所述四连杆结构与所述滑动机架连接；所述四连杆机构用于调整所述滚筒的截割轨迹，使截割煤壁时所述滚筒在一个垂直平面内，控制减小空顶距。

进一步地，所述锚杆作业单元包括：若干个顶锚杆钻机和若干帮锚杆钻机；所述顶锚杆钻机和所述帮锚杆钻机均设置在所述支架运输机的后端一侧，每个所述顶锚杆钻机均与所述支架运输机的后端间隔第一预设距离，每个所述帮锚杆钻机均与所述支架运输机的后端间隔第二预设距离。

进一步地，所述智能控制系统包括：导航子单元、倾角传感器、主机和测距传感器；所述导航子单元及所述倾角传感器用于测量所述巷道智能掘支机行进方向及姿态，并通过所述主机控制所述巷道智能掘支机的方向及姿态；倾角传感器及测距传感器获取所述液压支架的位置和姿态，并通过所述主机控制所述安装机械手将所述液压支架固定到所述支架运输机的前端一侧，控制所述拆卸机械手将所述液压支架拆卸并安放在所述支架运输机的后端。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种巷道智能掘支机快速成巷的方法，包括：

步骤s1：智能控制系统控制截割单元向前滑移截割煤壁完成预定方向与姿态的进刀；

步骤s2：支架运输单元将液压支架转运到安装机械手上，液压支架展开并支撑在支架运输机的前端一侧，完成对巷道的前端支护；

步骤s3：智能控制系统控制截割单元在一个垂直平面内上下截割煤壁；

步骤s4：智能控制系统控制拆卸机械手抓取液压支架，液压支架缩回并转运至支架运输机的后端，同时锚杆作业单元在支架运输机的后端一侧完成锚杆的安装；

步骤s5：巷道智能掘支机整体继续前进，重复执行步骤s1至s4，直至完成整个巷道的掘进与支护。

进一步地，所述步骤s3和步骤s4之间还包括：智能控制系统控制通过煤岩块运输单元清理截割过程中的煤岩块，并通过通风单元和除尘单元进行通风和除尘。

本发明提供巷道智能掘支机，通过在掘进工作面智能化的架设液压支架，在掘支机后方打设锚杆，保证了掘进工作面临时支护空顶小、安装速度快、支护强度高并且能够实现主动支护顶板两帮，解决了掘进与支护相互干扰、不能平行作业的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的巷道智能掘支机的侧视图；

图2为本发明实施例提供的巷道智能掘支机的俯视图；

图3为本发明实施例提供的支架运输单元的示意图；

图4为本发明实施例提供的液压支架的整体示意图；

图5为本发明实施例提供的液压支架的局部示意图；

图6为本发明实施例提供的液压支架a-a截面的示意图；

图7为本发明实施例提供的截割单元的示意图；

图8为本发明实施例提供的铲板的侧视图；

附图标记说明：1、截割单元；2、液压支架；3、智能控制系统；4、铲板；5、支架运输单元；6、刮板运输机；7、锚杆作业单元；8、第一固定风筒；9、除尘风机；10、煤壁；11、滚筒；12、油缸；13、截割臂；14、四连杆结构；15、滑动机架；21、支架立柱；22、顶护板；23、支顶油缸；24、顶梁；25、水平油缸；26、侧护油缸；27、侧护板；28、柔性支护材料；29、金属网；35、主机；41、安装槽；51、安装机械手；52、支架运输机；53、拆卸机械手；71、顶锚杆钻机；72、帮锚杆钻机；321、第一测距传感器；322、第二测距传感器；323、第三测距传感器；331、第一倾角传感器；332、第二倾角传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种巷道智能掘支机，如图1、图2和图3所示，包括：截割单元1、智能控制系统3、支架运输单元5和锚杆作业单元7。支架运输单元5包括：安装机械手51、支架运输机52和拆卸机械手53；支架运输机52上设有若干个液压支架2。支架运输机52通过链传动系统，将后方的液压支架2运输到前方。截割单元1和安装机械手51均设置在支架运输机52的前端一侧(图1的左侧)，锚杆作业单元7和拆卸机械手53均设置在支架运输机52的后端一侧(图1的右侧)。智能控制系统3监测截割单元1、支架运输单元5和锚杆作业单元7的工作状态，分别控制截割单元1、支架运输单元5和锚杆作业单元7。

巷道智能掘支机在工作过程中，智能控制系统3控制截割单元1向前滑移截割煤壁10完成预定方向与姿态的进刀。然后支架运输单元5将液压支架2转运到安装机械手51上，液压支架2展开并固定在支架运输机52的前端一侧，完成对巷道的前端支护。智能控制系统3控制截割单元1在一个垂直平面内上下截割煤壁10。智能控制系统3控制拆卸机械手53抓取液压支架2，液压支架2缩回并转运至支架运输机52的后端，同时锚杆作业单元7在支架运输机52的后端一侧完成锚杆的安装。锚杆安装后，巷道智能掘支机整体继续前进，重复上述步骤直至完成整个巷道的掘进与支护。

本发明实施例提供巷道智能掘支机，通过在掘进工作面智能化的架设液压支架，在掘支机后方打设锚杆，保证了掘进工作面临时支护空顶小、安装速度快、支护强度高并且能够实现主动支护顶板两帮，解决了掘进与支护相互干扰、不能平行作业的问题。

基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图4、图5和图6所示，液压支架2包括：支架立柱21、顶梁24、顶护板22、侧护板27、水平油缸25、支顶油缸23和侧护油缸26。支架立柱21通过水平油缸25铰接在顶梁24的两端，顶护板22通过支顶油缸23铰接在支架立柱21的顶部，侧护板27通过侧护油缸26铰接在侧护板27的外侧。该液压支架2通过支架立柱21、顶护板22、支顶油缸23实现对顶板的均布。液压支架2通过水平油缸25、侧护油缸26、侧护板27实现对两帮的均布。水平油缸25、支顶油缸23和侧护油缸26相互配合提供主动支护。主动支护液压支架2通过智能控制系统3控制进行收缩，收缩后的液压支架2通过拆卸机械手53转运到支架运输机52上，转运到支架运输机52的前端，通过安装机械手51及智能控制系统3控制液压支架2展开并安装，实现对顶板、两帮的主动支护。

进一步地，液压支架2还可增设金属网29和柔性支护材料28。侧护板27和顶护板22的外侧依次层叠设置有柔性支护材料28和金属网29，以同时通过金属网29和柔性支护材料28实现对坑洼不平顶板、两帮的主动支护。

如图7所示，截割单元1包括：滚筒11、截割臂13、油缸12、四连杆结构14和滑动机架15。截割臂13包括：相互铰接的截割大臂和截割小臂。滚筒11设置在截割大臂上远离截割小臂的一端，截割大臂通过油缸12与滑动机架15连接，截割小臂通过四连杆结构14与滑动机架15连接。滚筒11为横轴式滚筒，在抬升油缸12升降截割煤壁过程中，通过四连杆结构机构的调整实现滚筒11截割煤壁10的轨迹是垂线，使截割煤壁10时所述滚筒11在一个垂直平面内，控制减小空顶距。滑动机架15可以将整个滚筒11和截割臂13向前推出和收回，实现截割单元1的进刀。

为便于该巷道智能掘支机的连续运行，如图1、图2和图3所示，巷道智能掘支机还设有煤岩块运输单元。煤岩块运输单元包括：铲板4和刮板运输机6。刮板运输机6尾部通过胶轮支撑。铲板4设置在支架运输机52的前端一侧，铲板4置于截割单元1的底部。刮板运输机6设置在支架运输机52的底部，刮板运输机6与铲板4连通，以将铲板4铲出的煤岩块转移。铲板4后设有用于设置液压支架2的安装槽41，智能控制系统3控制安装机械手51将液压支架2安放到安装槽41内。

其中，巷道智能掘支机还设有通风单元和除尘单元。通风单元包括：第一固定风筒8、第一伸缩风筒和第二固定风筒。第一固定风筒8的出风口设置在支架运输机52的前端一侧，第一固定风筒8通过第一伸缩风筒与第二固定风筒连接。除尘单元包括：除尘风机9、第三固定风筒、第二伸缩风筒和第四固定风筒。除尘风机9设置在支架运输机52的前端一侧，除尘风机9依次通过第三固定风筒、第二伸缩风筒与第四固定风筒连接。通风单元和除尘单元能够满足掘进工作面除尘及高瓦斯矿井的通风需求；第一伸缩风筒和第二伸缩风筒的伸缩量能够满足掘进30m掘进进尺的需求。

其中，锚杆作业单元7安装在刮板运输机6胶轮部分。锚杆作业单元7包括：若干个顶锚杆钻机71和若干帮锚杆钻机72。顶锚杆钻机71和帮锚杆钻机72均设置在支架运输机52的后端一侧，每个顶锚杆钻机71均与支架运输机52的后端间隔第一预设距离。每个帮锚杆钻机72均与支架运输机52的后端间隔第二预设距离。通过调整第一预设距离和第二预设距离，即能够调整安装锚杆的位置和时间，可以完成顶锚杆及帮锚杆的打设。

为实现对整个巷道智能掘支机的精准控制，智能控制系统3包括：导航子单元、倾角传感器、主机35和测距传感器。测距传感器可采用激光测距传感器。导航子单元及倾角传感器用于测量巷道智能掘支机行进方向及姿态，并通过主机35控制巷道智能掘支机的方向及姿态。倾角传感器及测距传感器获取液压支架的位置和姿态，并通过主机控制安装机械手51将液压支架2固定到支架运输机52的前端一侧，控制拆卸机械手53将液压支架2拆卸并安放在支架运输机52的后端。

具体地，参阅图1和图8，本实施例中，测距传感器包括：第一测距传感器321、第二测距传感器322和第三测距传感器323。第一测距传感器321设置在铲板4后方，第二测距传感器322设置在液压支架2上。第三测距传感器323设置在支架运输机52的后方。倾角传感器包括：第一倾角传感器331和第二倾角传感器332。第一倾角传感器331设置在铲板4后方，第二倾角传感器332设置在液压支架2上。智能控制系统3通过导航子单元及第一倾角传感器331测量掘支机的行进方向及姿态，并通过主机35控制巷道智能掘支机的行进方向及姿态。智能控制系统3通过液压支架2的第二倾角传感器332及铲板4后方的第一测距传感器321距获取液压支架2的位置和姿态，并通过智能控制系统3配合主机35控制安装机械手51将液压支架2安放到铲板4后方安装槽41内。智能控制系统3通过安装在液压支架2上的第二测距传感器322获得截割单元1的位置与姿态，并通过主机35控制截割单元1沿垂线截割，监测液压支架2与截割单元1的距离，避免二者发生碰撞。智能控制系统3通过安装在支架运输机52后方的第三测距传感器323获得液压支架2的位置，并通过主机35控制拆卸机械手53将液压支架2安放到支架运输机52上。

本发明实施例提供巷道智能掘支机，通过在掘进工作面智能化的架设液压支架，在掘支机后方打设锚杆，保证了掘进工作面临时支护空顶小、安装速度快、支护强度高并且能够实现主动支护顶板两帮，解决了掘进与支护相互干扰、不能平行作业的问题。

本发明实施例提供一种巷道智能掘支机快速成巷的方法，该巷道智能掘支机如图1至图8所示，包括：截割单元1、智能控制系统3、支架运输单元5和锚杆作业单元7。支架运输单元5包括：安装机械手51、支架运输机52和拆卸机械手53；支架运输机52上设有若干个液压支架2。支架运输机52通过链传动系统，将后方的液压支架2运输到前方。截割单元1和安装机械手51均设置在支架运输机52的前端一侧，锚杆作业单元7和拆卸机械手53均设置在支架运输机52的后端一侧。智能控制系统3监测截割单元1、支架运输单元5和锚杆作业单元7的工作状态，分别控制截割单元1、支架运输单元5和锚杆作业单元7。具体结构请参阅图1至图8相关的文字描述，在此不再赘述。

该方法包括：

步骤s1：智能控制系统控制截割单元向前滑移截割煤壁完成预定方向与姿态的进刀。

步骤s2：支架运输单元将液压支架转运到安装机械手上，液压支架展开并固定在支架运输机的前端一侧，完成对巷道的前端支护。

步骤s3：智能控制系统控制截割单元在一个垂直平面内上下截割煤壁。

步骤s4：智能控制系统控制拆卸机械手抓取液压支架，液压支架缩回并转运至支架运输机的后端，同时锚杆作业单元在支架运输机的后端一侧完成锚杆的安装。

步骤s5：巷道智能掘支机整体继续前进，重复执行步骤s1至s4，直至完成整个巷道的掘进与支护。

为便于该巷道智能掘支机的连续运行，步骤s3和步骤s4之间还包括：智能控制系统控制通过煤岩块运输单元清理截割过程中的煤岩块，并通过通风单元和除尘单元进行通风和除尘。

在一个具体的实施例中，包括以下步骤：

(1)智能控制系统3控制截割单元1的滚筒11高速回转并通过滑动机架15向前滑移，截割单元1截割煤壁10，完成预定方向与姿态的进刀，铲板4随着滑动机架15伸出一个排距，并清理落煤。

(2)支架运输机52将液压支架2转运到安装机械手51上，智能控制系统3控制安装机械手51将已搭接的液压支架2伸出，水平油缸25、支架立柱21将液压支架2展开，嵌入铲板4安装槽41，实现液压支架2定位，控制支顶油缸23、侧护油缸26伸出，支起顶护板22、侧护板27，并通过柔性支护材料28对煤壁10提供均布的、主动支护力，最后利用金属网29铺设及搭接。

(3)智能控制系统3控制截割单元1抬升油缸12伸缩，以实现滚筒11上下截割煤壁10，四连杆结构14调整滚筒11截割轨迹使截割煤壁10时滚筒11在一个垂直平面内，进而有效控制空顶距。

(4)巷道智能掘支机在进刀、架设液压支架2及截割的同时，设置在刮板运输机6上的锚杆作业单元7(顶锚杆钻机71)完成掘支机后方最后两架液压支架2之间顶锚杆的安装。

(5)巷道智能掘支机截割完成、掘支机后方第一排顶锚杆安装后，通过履带前行，并控制滑动机架15及铲板4的油缸缩回，保证机身进行过程中截割部相对底板位置不变；掘支机前行过程中，第一伸缩风筒和第二伸缩风筒伸开，刮板运输机6通过胶轮前行，同时通风单元和除尘单元进行通风和除尘。

(6)巷道智能掘支机前行到位后，智能控制系统3控制拆卸机械手53抓取液压支架2，液压支架2缩回，并转运到支架运输机52上。通过锚杆作业单元7(帮锚杆钻机72)补打掘支机后方第一排帮锚杆。在此过程中，掘支机前方可同时开展(1)至(3)的步骤。

(7)每完成30个循环的(1)至(6)步骤，第一伸缩风筒和第二伸缩风筒从掘支机后方拆开，重新搭接新的伸缩风筒。

(8)重复步骤(1)至(7)直至完成整个巷道的掘进与支护。

本发明实施例提供巷道智能掘支机快速成巷的方法，通过在掘进工作面智能化的架设液压支架，在掘支机后方打设锚杆，保证了掘进工作面临时支护空顶小、安装速度快、支护强度高并且能够实现主动支护顶板两帮，解决了掘进与支护相互干扰、不能平行作业的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。